Voimalaitoksen käytönaikaisen optimoinnin määrittely

Tässä diplomityössä määritellään biopolttoainetta käyttävän voimalaitoksen käytönaikainen tuotannon optimointimenetelmä. Määrittelytyö liittyy MW Powerin MultiPower CHP –voimalaitoskonseptin jatkokehitysprojektiin. Erilaisten olemassa olevien optimointitapojen joukosta valitaan tarkoitukseen sopiva, laitosmalliin ja kustannusfunktioon perustuva menetelmä, jonka tulokset viedään automaatiojärjestelmään PID-säätimien asetusarvojen muodossa. Prosessin mittaustulosten avulla lasketaan laitoksen energia- ja massataseet, joiden tuloksia käytetään seuraavan optimointihetken lähtötietoina. Optimoinnin kohdefunktio on kustannusfunktio, jonka termit ovat voimalaitoksen käytöstä aiheutuvia tuottoja ja kustannuksia. Prosessia optimoidaan säätimille annetut raja-arvot huomioiden niin, että kokonaiskate maksimoituu. Kun laitokselle kertyy käyttöikää ja historiadataa, voidaan prosessin optimointia nopeuttaa hakemalla tilastollisesti historiadatasta nykytilanteen olosuhteita vastaava hetki. Kyseisen historian hetken katetta verrataan kustannusfunktion optimoinnista saatuun katteeseen. Paremman katteen antavan menetelmän laskemat asetusarvot otetaan käyttöön prosessin ohjausta varten. Mikäli kustannusfunktion laskenta eikä historiadatan perusteella tehty haku anna paranevaa katetta, niiden laskemia asetusarvoja ei oteta käyttöön. Sen sijaan optimia aletaan hakea deterministisellä optimointialgoritmilla, joka hakee nykyhetken ympäristöstä paremman katteen antavia säätimien asetusarvoja. Säätöjärjestelmä on mahdollista toteuttaa myös tulevaisuutta ennustavana. Työn käytännön osuudessa voimalaitosmalli luodaan kahden eri mallinnusohjelman avulla, joista toisella kuvataan kattilan ja toisella voimalaitosprosessin toimintaa. Mallinnuksen tuloksena saatuja prosessiarvoja hyödynnetään lähtötietoina käyttökatteen laskennassa. Kate lasketaan kustannusfunktion perusteella. Tuotoista suurimmat liittyvät sähkön ja lämmön myyntiin sekä tuotantotukeen, ja suurimmat kustannukset liittyvät investoinnin takaisinmaksuun ja polttoaineen ostoon. Kustannusfunktiolle tehdään herkkyystarkastelu, jossa seurataan katteen muutosta prosessin teknisiä arvoja muutettaessa. Tuloksia vertaillaan referenssivoimalaitoksella suoritettujen verifiointimittausten tuloksiin, ja havaitaan, että tulokset eivät ole täysin yhteneviä. Erot johtuvat sekä mallinnuksen puutteista että mittausten lyhyehköistä tarkasteluajoista. Automatisoidun optimointijärjestelmän käytännön toteutusta alustetaan määrittelemällä käyttöön otettava optimointitapa, siihen liittyvät säätöpiirit ja tarvittavat lähtötiedot. Projektia tullaan jatkamaan järjestelmän ohjelmoinnilla, testauksella ja virityksellä todellisessa voimalaitosympäristössä ja myöhemmin ennustavan säädön toteuttamisella.

CFD modeling of dispersion water feed in wastewater cleaning application

Fluid particle breakup and coalescence are important phenomena in a number of industrial flow systems. This study deals with a gas-liquid bubbly flow in one wastewater cleaning application. Three-dimensional geometric model of a dispersion water system was created in ANSYS CFD meshing software. Then, numerical study of the system was carried out by means of unsteady simulations performed in ANSYS FLUENT CFD software. Single-phase water flow case was setup to calculate the entire flow field using the RNG k-epsilon turbulence model based on the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations. Bubbly flow case was based on a computational fluid dynamics - population balance model (CFD-PBM) coupled approach. Bubble breakup and coalescence were considered to determine the evolution of the bubble size distribution. Obtained results are considered as steps toward optimization of the cleaning process and will be analyzed in order to make the process more efficient.

Mathematical modeling and optimal control of malaria

Malaria continues to infect millions and kill hundreds of thousands of people worldwide each year, despite over a century of research and attempts to control and eliminate this infectious disease. Challenges such as the development and spread of drug resistant malaria parasites, insecticide resistance to mosquitoes, climate change, the presence of individuals with subpatent malaria infections which normally are asymptomatic and behavioral plasticity in the mosquito hinder the prospects of malaria control and elimination. In this thesis, mathematical models of malaria transmission and control that address the role of drug resistance, immunity, iron supplementation and anemia, immigration and visitation, and the presence of asymptomatic carriers in malaria transmission are developed. A within-host mathematical model of severe Plasmodium falciparum malaria is also developed. First, a deterministic mathematical model for transmission of antimalarial drug resistance parasites with superinfection is developed and analyzed. The possibility of increase in the risk of superinfection due to iron supplementation and fortification in malaria endemic areas is discussed. The model results calls upon stakeholders to weigh the pros and cons of iron supplementation to individuals living in malaria endemic regions. Second, a deterministic model of transmission of drug resistant malaria parasites, including the inflow of infective immigrants, is presented and analyzed. The optimal control theory is applied to this model to study the impact of various malaria and vector control strategies, such as screening of immigrants, treatment of drug-sensitive infections, treatment of drug-resistant infections, and the use of insecticide-treated bed nets and indoor spraying of mosquitoes. The results of the model emphasize the importance of using a combination of all four controls tools for effective malaria intervention. Next, a two-age-class mathematical model for malaria transmission with asymptomatic carriers is developed and analyzed. In development of this model, four possible control measures are analyzed: the use of long-lasting treated mosquito nets, indoor residual spraying, screening and treatment of symptomatic, and screening and treatment of asymptomatic individuals. The numerical results show that a disease-free equilibrium can be attained if all four control measures are used. A common pitfall for most epidemiological models is the absence of real data; model-based conclusions have to be drawn based on uncertain parameter values. In this thesis, an approach to study the robustness of optimal control solutions under such parameter uncertainty is presented. Numerical analysis of the optimal control problem in the presence of parameter uncertainty demonstrate the robustness of the optimal control approach that: when a comprehensive control strategy is used the main conclusions of the optimal control remain unchanged, even if inevitable variability remains in the control profiles. The results provide a promising framework for the design of cost-effective strategies for disease control with multiple interventions, even under considerable uncertainty of model parameters. Finally, a separate work modeling the within-host Plasmodium falciparum infection in humans is presented. The developed model allows re-infection of already-infected red blood cells. The model hypothesizes that in severe malaria due to parasite quest for survival and rapid multiplication, the Plasmodium falciparum can be absorbed in the already-infected red blood cells which accelerates the rupture rate and consequently cause anemia. Analysis of the model and parameter identifiability using Markov chain Monte Carlo methods is presented.

In silico analysis identifies a C3HC4-RING finger domain of a putative E3 ubiquitin-protein ligase located at the C-terminus of a polyglutamine-containing protein

Almost identical polyglutamine-containing proteins with unknown structures have been found in human, mouse and rat genomes (GenBank AJ277365, AF525300, AY879229). We infer that an identical new gene (RING) finger domain of real interest is located in each C-terminal segment. A three-dimensional (3-D) model was generated by remote homology modeling and the functional implications are discussed. The model consists of 65 residues from terminal position 707 to 772 of the human protein with a total length of 796 residues. The 3-D model predicts a ubiquitin-protein ligase (E3) as a binding site for ubiquitin-conjugating enzyme (E2). Both enzymes are part of the ubiquitin pathway to label unwanted proteins for subsequent enzymatic degradation. The molecular contact specificities are suggested for both the substrate recognition and the residues at the possible E2-binding surface. The predicted structure, of a ubiquitin-protein ligase (E3, enzyme class number 6.3.2.19, CATH code 3.30.40.10.4) may contribute to explain the process of ubiquitination. The 3-D model supports the idea of a C3HC4-RING finger with a partially new pattern. The putative E2-binding site is formed by a shallow hydrophobic groove on the surface adjacent to the helix and one zinc finger (L722, C739, P740, P741, R744). Solvent-exposed hydrophobic amino acids lie around both zinc fingers (I717, L722, F738, or P765, L766, V767, V733, P734). The 3-D structure was deposited in the protein databank theoretical model repository (2B9G, RCSB Protein Data Bank, NJ).

Ohjelmistotestauksen käytänteet Suomessa

Ohjelmistotestauksen merkitys on kasvanut sen mukaan mitä enemmän ohjelmisto-tuotteet vaikuttavat jokapäiväisesseen elämämme. Tämän vuoksi yritysten investointien ja laadunvarmentamisen yhteys on ilmeinen. Organisaatiot panostavat yhä enemmän ei–funktionaaliseen testaukseen, kuten turvallisuuden, suorituskyvyn ja käytettävyyden testaamiseen. Tämän työn tarkoituksena on tutkia ohjelmistotestauksen nykytilannetta Suomessa. Syy tähän on uudistaa ja parantaa ohjelmistotestauksen kurssitarjontaa Turun yliopistossa vastaamaan parhaalla mahdollisella tavalla yritysten tarvetta. Opinnäyte on toteutettu replikaatio-tutkimuksena. Pääosa kyselystä sisältää kysymyksiä ohjelmistotestauksen menetelmistä ja työkaluista testausprosessin toimintojen aikana. Lisäksi on yleisiä kysymyksiä yrityksistä ja niiden ohjelmistotestausympäristöistä. Kyselyssä otetaan myös kantaa yritysten käyttämiin monenlaisiin testaus-tasoihin, -tyyppeihin ja testauksessa kohdattuihin haasteisiin. Tämä opinnäyte perustuu testausprosessistandardeihin. Ohjelmistotestausstandardit ovat keskeisessä asemassa tässä työssä, vaikka ne ovat olleet viime aikoina vahvan kritiikin kohteena. Epäilys standardien välttämättömyyteen on syntynyt muutoksista ohjelmistokehityksessä. Tämä työ esittelee tulokset ohjelmistotestauksen käytännöistä. Tuloksia on verrattu aiheeseen liittyvän aiemman kyselyn (Lee, Kang, & Lee, 2011) tuloksiin. Ajanpuutteen havaitaan olevan suuri haaste ohjelmistotestauksessa. Ketterä ohjelmistokehitys on saavuttanut suosiota kaikissa vastaajien yrityksissä. Testauksen menetelmät ja työkalut testauksen arviointiin, suunnitteluun ja raportointiin ovat hyvin vähäisessä käytössä. Toisaalta testauksen menetelmien ja työkalujen käyttö automaattiseen testauksen toteuttamiseen ja virheiden hallintaan on lisääntynyt. Järjestelmä-, hyväksyntä-, yksikkö- ja integraatiotestaus ovat käytössä kaikkien vastaajien edustamissa yrityksissä. Kaikkien vastaajien mielestä regressio- sekä tutkiva- ja ei-funktionaalinen testaus ovat tärkeitä tekniikoita.

Transformation by example

La transformation de modèles consiste à transformer un modèle source en un modèle cible conformément à des méta-modèles source et cible. Nous distinguons deux types de transformations. La première est exogène où les méta-modèles source et cible représentent des formalismes différents et où tous les éléments du modèle source sont transformés. Quand elle concerne un même formalisme, la transformation est endogène. Ce type de transformation nécessite généralement deux étapes : l’identification des éléments du modèle source à transformer, puis la transformation de ces éléments. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons trois principales contributions liées à ces problèmes de transformation. La première contribution est l’automatisation des transformations des modèles. Nous proposons de considérer le problème de transformation comme un problème d'optimisation combinatoire où un modèle cible peut être automatiquement généré à partir d'un nombre réduit d'exemples de transformations. Cette première contribution peut être appliquée aux transformations exogènes ou endogènes (après la détection des éléments à transformer). La deuxième contribution est liée à la transformation endogène où les éléments à transformer du modèle source doivent être détectés. Nous proposons une approche pour la détection des défauts de conception comme étape préalable au refactoring. Cette approche est inspirée du principe de la détection des virus par le système immunitaire humain, appelée sélection négative. L’idée consiste à utiliser de bonnes pratiques d’implémentation pour détecter les parties du code à risque. La troisième contribution vise à tester un mécanisme de transformation en utilisant une fonction oracle pour détecter les erreurs. Nous avons adapté le mécanisme de sélection négative qui consiste à considérer comme une erreur toute déviation entre les traces de transformation à évaluer et une base d’exemples contenant des traces de transformation de bonne qualité. La fonction oracle calcule cette dissimilarité et les erreurs sont ordonnées selon ce score. Les différentes contributions ont été évaluées sur d’importants projets et les résultats obtenus montrent leurs efficacités.

Une approche heuristique pour l’apprentissage de transformations de modèles complexes à partir d’exemples

L’ingénierie dirigée par les modèles (IDM) est un paradigme d’ingénierie du logiciel bien établi, qui préconise l’utilisation de modèles comme artéfacts de premier ordre dans les activités de développement et de maintenance du logiciel. La manipulation de plusieurs modèles durant le cycle de vie du logiciel motive l’usage de transformations de modèles (TM) afin d’automatiser les opérations de génération et de mise à jour des modèles lorsque cela est possible. L’écriture de transformations de modèles demeure cependant une tâche ardue, qui requiert à la fois beaucoup de connaissances et d’efforts, remettant ainsi en question les avantages apportés par l’IDM. Afin de faire face à cette problématique, de nombreux travaux de recherche se sont intéressés à l’automatisation des TM. L’apprentissage de transformations de modèles par l’exemple (TMPE) constitue, à cet égard, une approche prometteuse. La TMPE a pour objectif d’apprendre des programmes de transformation de modèles à partir d’un ensemble de paires de modèles sources et cibles fournis en guise d’exemples. Dans ce travail, nous proposons un processus d’apprentissage de transformations de modèles par l’exemple. Ce dernier vise à apprendre des transformations de modèles complexes en s’attaquant à trois exigences constatées, à savoir, l’exploration du contexte dans le modèle source, la vérification de valeurs d’attributs sources et la dérivation d’attributs cibles complexes. Nous validons notre approche de manière expérimentale sur 7 cas de transformations de modèles. Trois des sept transformations apprises permettent d’obtenir des modèles cibles parfaits. De plus, une précision et un rappel supérieurs à 90% sont enregistrés au niveau des modèles cibles obtenus par les quatre transformations restantes.

Fehlersuche im Modell - Modellbasiertes Testen und Debuggen

Kern der vorliegenden Arbeit ist die Erforschung von Methoden, Techniken und Werkzeugen zur Fehlersuche in modellbasierten Softwareentwicklungsprozessen. Hierzu wird zuerst ein von mir mitentwickelter, neuartiger und modellbasierter Softwareentwicklungsprozess, der sogenannte Fujaba Process, vorgestellt. Dieser Prozess wird von Usecase Szenarien getrieben, die durch spezielle Kollaborationsdiagramme formalisiert werden. Auch die weiteren Artefakte des Prozess bishin zur fertigen Applikation werden durch UML Diagrammarten modelliert. Es ist keine Programmierung im Quelltext nötig. Werkzeugunterstützung für den vorgestellte Prozess wird von dem Fujaba CASE Tool bereitgestellt. Große Teile der Werkzeugunterstützung für den Fujaba Process, darunter die Toolunterstützung für das Testen und Debuggen, wurden im Rahmen dieser Arbeit entwickelt. Im ersten Teil der Arbeit wird der Fujaba Process im Detail erklärt und unsere Erfahrungen mit dem Einsatz des Prozesses in Industrieprojekten sowie in der Lehre dargestellt. Der zweite Teil beschreibt die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Testgenerierung, die zu einem wichtigen Teil des Fujaba Process geworden ist. Hierbei werden aus den formalisierten Usecase Szenarien ausführbare Testfälle generiert. Es wird das zugrunde liegende Konzept, die konkrete technische Umsetzung und die Erfahrungen aus der Praxis mit der entwickelten Testgenerierung dargestellt. Der letzte Teil beschäftigt sich mit dem Debuggen im Fujaba Process. Es werden verschiedene im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Konzepte und Techniken vorgestellt, die die Fehlersuche während der Applikationsentwicklung vereinfachen. Hierbei wurde darauf geachtet, dass das Debuggen, wie alle anderen Schritte im Fujaba Process, ausschließlich auf Modellebene passiert. Unter anderem werden Techniken zur schrittweisen Ausführung von Modellen, ein Objekt Browser und ein Debugger, der die rückwärtige Ausführung von Programmen erlaubt (back-in-time debugging), vorgestellt. Alle beschriebenen Konzepte wurden in dieser Arbeit als Plugins für die Eclipse Version von Fujaba, Fujaba4Eclipse, implementiert und erprobt. Bei der Implementierung der Plugins wurde auf eine enge Integration mit Fujaba zum einen und mit Eclipse auf der anderen Seite geachtet. Zusammenfassend wird also ein Entwicklungsprozess vorgestellt, die Möglichkeit in diesem mit automatischen Tests Fehler zu identifizieren und diese Fehler dann mittels spezieller Debuggingtechniken im Programm zu lokalisieren und schließlich zu beheben. Dabei läuft der komplette Prozess auf Modellebene ab. Für die Test- und Debuggingtechniken wurden in dieser Arbeit Plugins für Fujaba4Eclipse entwickelt, die den Entwickler bestmöglich bei der zugehörigen Tätigkeit unterstützen.

Fujaba Days 2011

Fujaba is an Open Source UML CASE tool project started at the software engineering group of Paderborn University in 1997. In 2002 Fujaba has been redesigned and became the Fujaba Tool Suite with a plug-in architecture allowing developers to add functionality easily while retaining full control over their contributions. Multiple Application Domains Fujaba followed the model-driven development philosophy right from its beginning in 1997. At the early days, Fujaba had a special focus on code generation from UML diagrams resulting in a visual programming language with a special emphasis on object structure manipulating rules. Today, at least six rather independent tool versions are under development in Paderborn, Kassel, and Darmstadt for supporting (1) reengineering, (2) embedded real-time systems, (3) education, (4) specification of distributed control systems, (5) integration with the ECLIPSE platform, and (6) MOF-based integration of system (re-) engineering tools. International Community According to our knowledge, quite a number of research groups have also chosen Fujaba as a platform for UML and MDA related research activities. In addition, quite a number of Fujaba users send requests for more functionality and extensions. Therefore, the 8th International Fujaba Days aimed at bringing together Fujaba develop- ers and Fujaba users from all over the world to present their ideas and projects and to discuss them with each other and with the Fujaba core development team.

El Outsourcing en la dinámica de sistemas hacia mercados extranjeros

Este trabajo recopila literatura académica relevante sobre estrategias de entrada y metodologías para la toma de decisión sobre la contratación de servicios de Outsourcing para el caso de empresas que planean expandirse hacia mercados extranjeros. La manera en que una empresa planifica su entrada a un mercado extranjero, y realiza la consideración y evaluación de información relevante y el diseño de la estrategia, determina el éxito o no de la misma. De otro lado, las metodologías consideradas se concentran en el nivel estratégico de la pirámide organizacional. Se parte de métodos simples para llegar a aquellos basados en la Teoría de Decisión Multicriterio, tanto individuales como híbridos. Finalmente, se presenta la Dinámica de Sistemas como herramienta valiosa en el proceso, por cuanto puede combinarse con métodos multicriterio.

A simulation model of self-organising evolvability in software systems

The evolvability of a software artifact is its capacity for producing heritable or reusable variants; the inverse quality is the artifact's inertia or resistance to evolutionary change. Evolvability in software systems may arise from engineering and/or self-organising processes. We describe our 'Conditional Growth' simulation model of software evolution and show how, it can be used to investigate evolvability from a self-organisation perspective. The model is derived from the Bak-Sneppen family of 'self-organised criticality' simulations. It shows good qualitative agreement with Lehman's 'laws of software evolution' and reproduces phenomena that have been observed empirically. The model suggests interesting predictions about the dynamics of evolvability and implies that much of the observed variability in software evolution can be accounted for by comparatively simple self-organising processes.

The Joint UK Land Environment Simulator (JULES), model description – part 1: energy and water fluxes

This manuscript describes the energy and water components of a new community land surface model called the Joint UK Land Environment Simulator (JULES). This is developed from the Met Office Surface Exchange Scheme (MOSES). It can be used as a stand alone land surface model driven by observed forcing data, or coupled to an atmospheric global circulation model. The JULES model has been coupled to the Met Office Unified Model (UM) and as such provides a unique opportunity for the research community to contribute their research to improve both world-leading operational weather forecasting and climate change prediction systems. In addition JULES, and its forerunner MOSES, have been the basis for a number of very high-profile papers concerning the land-surface and climate over the last decade. JULES has a modular structure aligned to physical processes, providing the basis for a flexible modelling platform.

Software evolution: a graph based model

A model based on graph isomorphisms is used to formalize software evolution. Step by step we narrow the search space by an informed selection of the attributes based on the current state-of-the-art in software engineering and generate a seed solution. We then traverse the resulting space using graph isomorphisms and other set operations over the vertex sets. The new solutions will preserve the desired attributes. The goal of defining an isomorphism based search mechanism is to construct predictors of evolution that can facilitate the automation of ’software factory’ paradigm. The model allows for automation via software tools implementing the concepts.

Software evolution: a graph based model

A model based on graph isomorphisms is used to formalize software evolution. Step by step we narrow the search space by an informed selection of the attributes based on the current state-of-the-art in software engineering and generate a seed solution. We then traverse the resulting space using graph isomorphisms and other set operations over the vertex sets. The new solutions will preserve the desired attributes. The goal of defining an isomorphism based search mechanism is to construct predictors of evolution that can facilitate the automation of ’software factory’ paradigm. The model allows for automation via software tools implementing the concepts.

Model Configuration And Data Management In The Short-Term Water Information Forecasting Tools

The Short-term Water Information and Forecasting Tools (SWIFT) is a suite of tools for flood and short-term streamflow forecasting, consisting of a collection of hydrologic model components and utilities. Catchments are modeled using conceptual subareas and a node-link structure for channel routing. The tools comprise modules for calibration, model state updating, output error correction, ensemble runs and data assimilation. Given the combinatorial nature of the modelling experiments and the sub-daily time steps typically used for simulations, the volume of model configurations and time series data is substantial and its management is not trivial. SWIFT is currently used mostly for research purposes but has also been used operationally, with intersecting but significantly different requirements. Early versions of SWIFT used mostly ad-hoc text files handled via Fortran code, with limited use of netCDF for time series data. The configuration and data handling modules have since been redesigned. The model configuration now follows a design where the data model is decoupled from the on-disk persistence mechanism. For research purposes the preferred on-disk format is JSON, to leverage numerous software libraries in a variety of languages, while retaining the legacy option of custom tab-separated text formats when it is a preferred access arrangement for the researcher. By decoupling data model and data persistence, it is much easier to interchangeably use for instance relational databases to provide stricter provenance and audit trail capabilities in an operational flood forecasting context. For the time series data, given the volume and required throughput, text based formats are usually inadequate. A schema derived from CF conventions has been designed to efficiently handle time series for SWIFT.